La prima teoria universale dei metalli strani potrebbe aiutare a spiegare perché si comportano in modo così strano, ad esempio perché resistono al flusso di elettroni più dei metalli comuni come l’oro o il rame. La nuova teoria, sviluppata dai ricercatori del Flatiron Institute di New York e dell'Università di Harvard, entrambi negli Stati Uniti, tiene conto di due proprietà dei metalli strani: l'entanglement quantistico dei loro elettroni e la disposizione non uniforme dei loro atomi. Il lavoro potrebbe far progredire la nostra comprensione dei superconduttori ad alta temperatura e di altri materiali quantistici correlati.
I metalli strani si trovano da qualche parte tra i metalli e gli isolanti e prendono il nome dal comportamento peculiare dei loro elettroni. A differenza degli elettroni nei metalli comuni, che viaggiano liberamente con poche interazioni e poca resistenza, gli elettroni nei metalli strani si muovono lentamente e in modo limitato. Anche gli elettroni di uno strano metallo perdono la “memoria” delle loro posizioni passate al ritmo più veloce possibile consentito dalle leggi fondamentali della meccanica quantistica.
Ancora più stranamente, i ricercatori hanno recentemente appreso che i superconduttori ad alta temperatura cuprato (ossido di rame), scoperti nel 1987, contengono una strana fase metallica oltre a una fase superconduttrice. La strana fase si verifica quando lo strato di ossido di rame è altamente drogato con lacune, e lascia perplessi i fisici perché non può essere descritta dalle teorie convenzionali che trattano gli elettroni come particelle quantistiche indipendenti e ignorano in gran parte qualsiasi entanglement quantistico tra di loro.
Sottile interazione tra entanglement di molti elettroni e disordine
“Comprendere questa strana fase è un ingrediente necessario in qualsiasi teoria della superconduttività ad alta temperatura, e negli ultimi decenni sono stati fatti molti sforzi in questa direzione”, afferma Subir Sachdev of Harvard, che ha co-diretto il nuovo studio insieme a Aavishkar Patel della Istituto Flatiron'S Centro di fisica quantistica computazionale (CCQ). “Proponiamo una nuova teoria nel nostro articolo che è coerente con le osservazioni esistenti ed evidenzia la sottile interazione tra l’entanglement di molti elettroni e il disordine presente in tutti i cristalli a causa della presenza di impurità”.
L'irregolarità della disposizione di uno strano metallo significa che la natura dei suoi intrecci di elettroni dipende fortemente da dove avviene l'aggrovigliamento all'interno del materiale, aggiunge Sachdev. Questa disomogeneità aggiunge casualità alla quantità di moto degli elettroni mentre si propagano attraverso il materiale e interagiscono tra loro. Di conseguenza, invece di fluire insieme, gli elettroni si scontrano tra loro in tutte le direzioni e si spingono a vicenda, generando resistenza elettrica. E poiché gli elettroni si scontrano più frequentemente all'aumentare della temperatura del materiale, la resistenza elettrica aumenta proporzionalmente alla temperatura.
Un modello più realistico
Questa interazione di intreccio e non uniformità non è mai stata documentata sperimentalmente prima in nessun materiale, ma Patel nota che si tratta di un concetto estremamente semplice, almeno col senno di poi.
"L'idea iniziale fu la mia proposta nel 1993 in (una variazione di) quello che oggi viene chiamato il modello Sachdev-Ye-Kitaev", dice Sachdev Mondo della fisica. “Si tratta di un modello giocattolo semplice e risolvibile che ci permette di studiare l’interazione tra l’entanglement quantistico e il disordine in un regime in cui la corrente scorre in una “zuppa quantistica” intrecciata e non attraverso i singoli elettroni”.
Da allora, i ricercatori hanno cercato modi per rendere questo modello di giocattolo più realistico attraverso collaborazioni sia con sperimentali che con teorici, in particolare con Flatiron's Antonio Giorgio ed Olivier Parcollet. “Dopo molte svolte sbagliate lungo il percorso, siamo finalmente arrivati alla generalizzazione descritta nel nostro presente studio, che dettagliamo in dettaglio Scienze, durante lunghe discussioni con i miei coautori durante il periodo della pandemia”, afferma Sachdev.
I metalli “riluttanti” creano un nuovo stato della materia
La teoria potrebbe servire da “trampolino di lancio” verso la comprensione del diagramma di fase completo dei superconduttori ad alta temperatura a base di ossido di rame e di una serie di altri materiali quantistici correlati, aggiunge.
Il team Flatiron/Harvard sta ora calcolando molte proprietà osservabili della sua teoria, compreso il rumore nel flusso di corrente e la risposta alla forte luce laser e ai campi magnetici. “Confronteremo questi risultati con gli esperimenti in corso e speriamo di arrivare a un quadro completo della fisica sottostante”, conclude Sachdev.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/strange-metals-reveal-their-secrets/
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